Цифровой компьютер ракеты-носителя
Цифровой компьютер ракеты-носителя ( LVDC ) представлял собой компьютер, который обеспечивал автопилот ракеты Сатурн V с момента запуска, вывода на околоземную орбиту и транслунной инъекции, которая должна была отправить космический корабль Аполлон на Луну. Разработанный и изготовленный Центром электронных систем IBM в Овего, штат Нью-Йорк, он был одним из основных компонентов приборного блока , установленного на S-IVB ступени ракет Saturn V и Saturn IB . LVDC также поддерживал проверку оборудования Saturn до и после запуска. Он использовался вместе с адаптером данных ракеты-носителя (LVDA), который выполнял преобразование сигналов с входов датчиков на компьютер ракеты-носителя.
Аппаратное обеспечение
[ редактировать ]LVDC был способен выполнять 12190 инструкций в секунду . Для сравнения: по состоянию на 2022 год исследователи из Калифорнийского университета создали чип, способный выполнять 1,78 триллиона инструкций в секунду. [1] В 146 миллионов раз быстрее.
Его главная тактовая частота работала на частоте 2,048 МГц, но операции выполнялись побитно, при этом для обработки каждого бита требовалось 4 цикла, 14 бит на фазу команды и 3 фазы на инструкцию, при базовом времени цикла инструкции 82 мкс (168 тактов). ) для простого добавления. Для выполнения некоторых инструкций (таких как умножение или деление) потребовалось несколько кратных основного цикла команд.
Память представляла собой 13-битные слоги , каждый из которых имел 14-й бит четности. [2] Инструкции имели размер одного слога, а слова данных — два слога (26 бит). Основная память представляла собой магнитный сердечник произвольного доступа в виде модулей памяти на 4096 слов. До 8 модулей обеспечивали максимум 32 768 слов памяти. Ультразвуковые линии задержки служили временным хранилищем.
Для надежности в LVDC использовалась логика с тройным резервированием и система голосования. Компьютер включал в себя три идентичные логические системы. Каждая логическая система была разделена на семиэтапный конвейер . На каждом этапе конвейера система голосования будет принимать большинство голосов по результатам, при этом наиболее популярный результат будет передаваться на следующий этап во всех конвейерах. Это означало, что на каждом из семи этапов один модуль в любом из трех конвейеров мог выйти из строя, а LVDC все равно будет выдавать правильные результаты. [3] В результате расчетная надежность составила 99,6% за 250 часов работы, что намного больше, чем несколько часов, необходимых для миссии «Аполлон».
С четырьмя модулями памяти общей емкостью 16 384 слов компьютер весил 72,5 фунта (32,9 кг), имел размеры 29,5 на 12,5 на 10,5 дюймов (750 мм × 320 мм × 270 мм) и потреблял 137 Вт.
LVDC обменивался данными в цифровом формате с адаптером данных ракеты-носителя (LVDA). LVDA преобразовывал аналого-цифру и цифро-аналог с помощью компьютера управления полетом (FCC). FCC был аналоговым компьютером.
Архитектура и алгоритмы программного обеспечения
[ редактировать ]Слова инструкции LVDC были разделены на 4-битное поле кода операции (младшие биты) и 9-битное поле адреса операнда (старшие биты). В результате у него оставалось шестнадцать возможных значений кода операции при наличии восемнадцати различных инструкций: следовательно, три инструкции использовали одно и то же значение кода операции и использовали два бита значения адреса для определения того, какая инструкция была выполнена.
Память была разбита на «сектора» по 256 слов. 8 бит адреса задают слово внутри сектора, а 9-й бит выбирается между программно выбираемым «текущим сектором» или глобальным сектором, называемым «остаточной памятью».
Восемнадцать возможных инструкций LVDC были: [4] : 20–101
| Инструкция | Код операции | Функция |
|---|---|---|
HOP | 0000 | Перенести выполнение в другую часть программы. В отличие от современной инструкции «перехода», адрес операнда фактически не указывал адрес перехода, а указывал на 26-битную «константу HOP», которая задавала адрес. |
MPY | 0001 | Умножьте содержимое ячейки памяти, указанной в адресе операнда, на содержимое регистра аккумулятора. Для выполнения этой инструкции потребовалось четыре командных цикла, но она не остановила выполнение программы, поэтому другие инструкции могли выполниться до ее завершения. Результат был оставлен в известном регистре. |
SUB | 0010 | Вычтите содержимое ячейки памяти, указанной в адресе операнда, из регистра аккумулятора. |
DIV | 0011 | Разделите содержимое ячейки памяти, указанной в адресе операнда, на аккумулятор. Для выполнения этой инструкции потребовалось восемь командных циклов, но она не остановила выполнение программы. |
TNZ | 0100 | Передает выполнение инструкции по указанному адресу операнда, если содержимое аккумулятора не равно нулю. |
MPH | 0101 | Умножьте содержимое ячейки памяти, указанной в адресе операнда, на содержимое регистра аккумулятора. В отличие от MPY, эта инструкция останавливает выполнение до завершения умножения. |
AND | 0110 | Логическое И содержимое аккумулятора с содержимым ячейки памяти, указанной в адресе операнда. |
ADD | 0111 | Добавьте содержимое ячейки памяти, указанной в адресе операнда, в регистр аккумулятора. |
TRA | 1000 | Перенести выполнение в ячейку памяти, указанную в адресе операнда. Адрес находится внутри текущего сектора инструкций; 9-й (остаточный) бит операнда выбирает слог. |
XOR | 1001 | Логически XOR содержимого аккумулятора с содержимым ячейки памяти, указанной в адресе операнда. |
PIO | 1010 | Ввод или вывод процесса: связь с внешним оборудованием через адаптер данных. «Младшие биты адреса, A1 и A2, определяют, является ли операция инструкцией ввода или вывода. Биты адреса старшего порядка, A8 и A9, определяют, передается ли содержимое данных из основной памяти, остаточной памяти или аккумулятора». |
STO | 1011 | Сохраните содержимое регистра аккумулятора в ячейке памяти, указанной в адресе операнда. |
TMI | 1100 | Передача выполнения по указанному адресу операнда, если содержимое аккумулятора отрицательное. |
RSU | 1101 | Содержимое аккумулятора вычитается из содержимого ячейки памяти, указанной в адресе операнда, и результат остается в аккумуляторе. |
SHR | 01 1110 | Содержимое аккумулятора сдвигается на два бита в зависимости от значения адреса операнда. Эта инструкция также может очистить аккумулятор, если биты адреса операнда равны нулю. |
CDS | х0 1110 | Сменить сектор данных. |
EXM | 11 1110 | Перенести выполнение на один из восьми адресов в зависимости от адреса операнда, что также определяет изменения адреса операнда следующей инструкции перед ее выполнением. |
CLA | 1111 | (Очистить аккумулятор и) загрузить память. |
Программы и алгоритмы
[ редактировать ]В полете LVDC запускал основной цикл вычислений каждые 2 секунды для управления транспортным средством и второстепенный цикл 25 раз в секунду для управления ориентацией. Второстепенный цикл запускается специальным прерыванием каждые 40 мс и занимает 18 мс. [5]
В отличие от программного обеспечения компьютера управления Apollo , программное обеспечение, работавшее на LVDC, похоже, исчезло. Хотя аппаратное обеспечение будет довольно просто имитировать, единственные оставшиеся копии программного обеспечения, вероятно, находятся в основной памяти LVDC инструментального блока остальных ракет Сатурн V , выставленных на объектах НАСА. [ нужна ссылка ]
Прерывания
[ редактировать ]LVDC также может реагировать на ряд прерываний, вызванных внешними событиями.
Для Saturn IB эти прерывания были:
| Бит слова данных LVDC | Функция |
|---|---|
1 | Внутренний для LVDC |
2 | Запасной |
3 | Одновременная ошибка памяти |
4 | Прерывание декодера команды |
5 | Справочный выпуск руководства |
6 | Ручное инициирование отключения двигателя S-IVB |
7 | Отключение подвесных двигателей S-IB |
8 | Выход двигателя S-IVB |
9 | RCA-110A Прерывание |
10 | S-IB Датчики низкого уровня топлива, сухие |
11 | RCA-110A Прерывание |
Для Saturn V эти прерывания были:
| Бит слова данных LVDC | Функция |
|---|---|
| 1 | Незначительное прерывание цикла |
| 2 | Прерывание селектора переключателя |
| 3 | Прерывание блока компьютерного интерфейса |
| 4 | Временная потеря контроля |
| 5 | Прерывание приемника команды |
| 6 | Справочный выпуск руководства |
| 7 | Истощение топлива/отключение двигателя S-II |
| 8 | Истощение топлива/отключение двигателя S-IC |
| 9 | Выход двигателя S-IVB |
| 10 | Перезапуск программы (прерывание RCA-110A) |
| 11 | Выход внутреннего двигателя S-IC |
| 12 | Команда прерывания LVDA/RCA-110A |
Строительство
[ редактировать ]LVDC имел ширину примерно 30 дюймов (760 мм), высоту 12,5 дюймов (320 мм), глубину 10,5 дюймов (270 мм) и весил 72,5 фунта (32,9 кг). [6] Шасси изготовлено из магниево-литиевого сплава LA 141, выбранного из-за его высокой жесткости, малого веса и хороших характеристик гашения вибраций. [7] : 511 Шасси было разделено на матрицу ячеек 3х5, разделенных стенками, через которые циркулировала охлаждающая жидкость для отвода 138 Вт мощности. [8] мощности, рассеиваемой компьютером. В стенках камер были прорези с «страницами» электроники. Решение охлаждать LVDC за счет циркуляции охлаждающей жидкости через стенки компьютера было уникальным в то время и позволило разместить LVDC и LVDA (частично охлаждаемые с использованием этого метода) в одной охлаждающей пластине благодаря трехмерной упаковке. Холодильные пластины, используемые для охлаждения большей части оборудования в приборном блоке, были неэффективны с точки зрения космоса, но универсальны для разнообразия используемого оборудования. Сплав LA 141 использовался IBM в клавиатуре Gemini, устройствах считывания и компьютере в небольших количествах, а большая рама LVDC была изготовлена из самых больших заготовок LA 141, отлитых в то время, а затем обработанных на станке с ЧПУ. .
Страница состояла из двух 2,5–3-дюймовых (64–76 мм) плат, расположенных одна за другой, и магниево-литиевой рамы для отвода тепла к корпусу на страницах с низким энергопотреблением и магниево-алюминиево-цинковой рамы на страницах с более высоким энергопотреблением. 12-слойные платы содержали сигнальный, силовой и заземляющий слои, а соединения между слоями осуществлялись посредством сквозных металлизированных отверстий. Сквозные металлизированные отверстия были намеренно расположены под логическими устройствами блока (ULD), чтобы помочь отводить тепло от устройств к металлическим каркасам и, следовательно, к стенкам охлаждающей жидкости.
До 35 квадратов оксида алюминия размером 0,3 на 0,3 на 0,07 дюйма (7,6 мм × 7,6 мм × 1,8 мм) [9] можно припаять оплавлением к плате. Эти квадраты из оксида алюминия имели проводники, нанесенные шелкографией на верхнюю сторону, и резисторы, нанесенные шелкографией на нижнюю сторону. Полупроводниковые чипы размером 0,025 на 0,025 дюйма (0,64 × 0,64 мм), каждый из которых содержит либо один транзистор, либо два диода, были припаяны оплавлением к верхней стороне. Полный модуль назывался единичным логическим устройством. [10] Устройство модульной логики (ULD) представляло собой уменьшенную версию модуля IBM Solid Logic Technology (SLT), но с зажимными соединениями. [3] [11] [12] Для контактов между чипами и проводящими рисунками использовались медные шарики. [7] : 509
Иерархия электронной структуры показана в следующей таблице.
| Уровень | Компонент | Материал | термин IBM |
|---|---|---|---|
| 1 | Транзистор, диод | Кремний размером 0,025 на 0,025 дюйма (0,64 × 0,64 мм) | - |
| 2 | До 14 транзисторов, диодов и резисторов | оксид алюминия 0,3 на 0,3 на 0,07 дюйма (7,6 × 7,6 × 1,8 мм) | ULD (модульное логическое устройство) |
| 3 | До 35 ULD | Печатная плата размером 2,5 на 3 дюйма (64 × 76 мм) | MIB (многоуровневая плата межсоединения) |
| 4 | Два MIB | Магниево-литиевый каркас | Страница |
Галерея
[ редактировать ]
Представители MSFC, в том числе Dr. Вернер фон Браун (слева) смотрит на LVDC.
См. также
[ редактировать ]- Компьютер управления Аполлоном
- Apollo PGNCS Основная система наведения космического корабля
- Бортовой компьютер космического корабля «Джемини» (OBC)
Примечания
[ редактировать ]- ^ «Первый в мире чип на 1000 процессоров, разработанный Калифорнийским университетом в Дэвисе» .
- ^ «Глава седьмая - Эволюция автоматизированной обработки запуска». Компьютеры в космических полетах: опыт НАСА . НАСА . Проверено 19 ноября 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Доктор Вернер фон Браун. «Крошечные компьютеры управляют мощнейшими ракетами» .Популярная наука.Октябрь 1965 года.п. 94-95; 206-208.
- ^ Ракеты-носители Сатурна TR X-881
- ^ Haeussermann 1970 , стр. 30–31.
- ^ Отчет об исследовании Apollo, Том 2, страницы с 3-36 по 3-37. В бортовом журнале LVDC Национального музея авиации и космонавтики указаны размеры 31x13,1x13 дюймов, а вес - 90 фунтов.
- ^ Перейти обратно: а б с М.М. Дикинсон, Дж.Б. Джексон, Г.К. Ранда. Центр космического управления IBM, Овего, Нью-Йорк. «Цифровой компьютер и адаптер данных ракеты-носителя Сатурн V». Материалы осенней совместной компьютерной конференции, 1964 г.
- ^ Отчет об исследовании Apollo, том 2, стр. 3-4.
- ^ Отчет об исследовании Аполлона, том 2, стр. 2-37.
- ^ Haeussermann 1970 , стр. 23.
- ^ Кен Ширрифф. «Печатная плата ракеты Сатурн-5, реконструированная и объясненная» .2020.
- ^ Пью, Эмерсон; Джонсон; Палмер, Джон (1991). Системы IBM 360 и Early 370 . МТИ Пресс. п. 108 . ISBN 978-0262161237 .
Ссылки
[ редактировать ]- IBM, Цифровой компьютер ракеты-носителя Saturn V, Том первый: Общее описание и теория , 30 ноября 1964 г.
- IBM, Компьютер управления Сатурном V, полугодовой отчет о проделанной работе, 1 апреля - 30 сентября 1963 г. , 31 октября 1963 г.; архив
- Bellcomm, Inc, Требования к памяти для цифрового компьютера ракеты-носителя (LVDC) , 25 апреля 1967 г.
- Боинг, Уравнения наведения ракеты-носителя Сатурн V, SA-504 , 15 июля 1967 г.
- Хойсерманн, Вальтер (июль 1970 г.). Описание и характеристики системы навигации, наведения и управления ракеты-носителя «Сатурн» (PDF) . НАСА TN D-5869.
- Центр космических полетов НАСА имени Маршалла, Руководство по полету Сатурна V SA-503 , 1 ноября 1968 г.
- Центр космических полетов НАСА имени Маршалла, Руководство по полету Skylab Saturn IB , 30 сентября 1972 г.
- М.М. Дикинсон, Дж.Б. Джексон, Г.К. Ранда. Центр космического управления IBM, Овего, Нью-Йорк. «Цифровой компьютер и адаптер данных ракеты-носителя Сатурн V». Материалы осенней совместной компьютерной конференции, 1964 г., страницы 501–516.
- С. Бонис, Р. Джексон и Б. Паньяни. Центр космического управления IBM, Овего, Нью-Йорк. «Механическая и электронная упаковка компьютера управления ракетой-носителем». Международный симпозиум по упаковке электронных схем, 21–24 августа 1964 г. Страницы 226–241.
- IBM, Отчет об исследовании Аполлона, том 2. Центр космического управления IBM, Овего, Нью-Йорк, 1 октября 1963 г. 133 страницы. Также доступно на Virtual AGC (найдите 63-928-130 ).
- NASA MSFC, Справочник по системе Astronics Ракеты-носители «Сатурн» Центр космических полетов имени Маршалла НАСА, 1 ноября 1968 г. MSFC № IV-4-401-1. ИБМ № 68-966-0002. 419 страниц. Глава 15 посвящена LVDC и адаптеру данных ракеты-носителя.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Архивы IBM: Компьютер управления Сатурном
- Фотографии компонентов LDVC в высоком разрешении из коллекции SpaceAholic лунного модуля Аполлона и артефактов космического полета Сатурна-5.
Компьютеры управления |
|---|